PERDA DE CARGA EM CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS PCH S

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1 PERDA DE CARGA EM CIRCUITOS HIDRÁULICOS DE PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS PCH S André L. T. Fabiani, José J. Ota LACTEC/UFPR David T. da Silva e Celso V. Akil AMPLA

2 Objetivos Metodologia para analisar se a tubulação adutora adotada em uma usina antiga atende aos critérios atuais de projeto e operação, propondo correções, se necessárias; Usinas-piloto com quase 100 anos de operação, com pequenas atualizações: Piabanha MW Fagundes 193 4,8 MW

3 Fórmulas básicas Perda de carga clássica: Dificuldade: definir o valor dadas perdas localizadas e contínuas, após mais de 70 anos de uso das tubulações g V f h p D L = g V. K h L L = ( ) = h P h L z g V p z g V p α γ α γ ) f.k..d,.log(, D k.log f e R = +

4 Metodologia básica Passo 1: Coletar informações geométricas e operacionais antigas e atuais Passo : Reavaliar os aspectos hidrológicos e energéticos Passo 3: Definir alternativas a serem estudadas Passo 4: Verificação das novas condições hidráulicas de operação da usina, Passo 5: Quantificação econômica das alternativas estudadas, a fim de determinar a viabilidade econômica de alterações na usina.

5 Dados das usinas-piloto Piabanha: geração de 9 MW, com três máquinas iguais, engolindo cada uma 8,79 m 3 /s, com uma queda líquida de 49,7 m (rendimento médio de 53,5%). A adução se dá por três condutos paralelos, com km de comprimento e diâmetros entre 1,78 m e,49 m e desnível final de 8,5 m, terminando em um tanque de compensação, com vertedouro lateral; a espessura dos condutos varia entre 1/4" e 5/16. A partir desse tanque, partem três condutos forçados independentes, com comprimento de 94 m e diâmetro de,94 m; Fagundes: um conduto adutor único, com 1,6 km de extensão e diâmetro de 1,7 m; a espessura varia entre 1/4" e 5/8. Ao final do conduto existe uma chaminé de equilíbrio, de,13 m de diâmetro, de onde partem dois condutos forçados independentes, com 1,5 m de diâmetro, espessura de 5/8 e comprimento de 06 m. Duas máquinas com engolimento de,68 m 3 /s (Rendimento médio de 69,6%) Rendimentos de máquinas modernas giram em torno de 89 %

6 Piabanha

7 Fagundes

8 Estudos Hidrológicos e Energéticos Foram estudadas 4 estações pluviométricas com mais de 30 anos de observações; Vazões médias resultaram iguais a 35,65 m 3 /s em Piabanha e 5,5 m 3 /s em Fagundes; As energias firmes das usinas giram em torno de 3,7 MW médios em Piabanha e de 1,88 MW médios em Fagundes;

9 Curvas de permanência Piabanha Vazão (m3/s) Permanência (%) Fagundes Vazão (m3/s) Permanência (%)

10 Alternativas estudadas continuar utilizando os condutos atuais; recuperá-los, revestindo-os internamente com uma resina de poliuretano aromático elastomérico e sem solvente de alta resistência denominada comercialmente de POLIBRID trocar os condutos atuais por condutos novos de aço soldável. A troca do tanque de compensação existente na PCH Piabanha por chaminés de equilíbrio, incrustada na rocha ou exposta foi também analisada.

11 Cálculo Hidráulico Envelhecimento dos condutos Colapso dos condutos Diâmetro Equivalente Diâmetro Econômico Transientes

12 Envelhecimento do conduto O envelhecimento dos condutos impõe uma perda de carga adicional ao sistema, diminuindo a energia gerada. A medida desse envelhecimento é dada pela espessura de rugosidade equivalente, e baseado em testes de rendimento: Início em 0,9 mm - conduto de aço rebitado Final em 10,5 mm para Piabanha e 9,1 mm para Fagundes Os resultados indicam que a taxa anual de crescimento da rugosidade equivalente nas duas usinas é de 0,1 mm, coerente com a literatura sobre o assunto. Nos casos de condutos novos foram adotados: 0,046 mm no caso de aço novo soldável no caso de conduto revestido com resina adotou-se uma rugosidade de 0,9 mm (a mesma do aço rebitado, pois os rebitem continuarão interferindo no escoamento), além de reduzir o raio interno do conduto da espessura da camada,,5 mm, ao invés de considerar o tubo com plástico (rugosidade de 0,00154 mm).

13 Colapso dos condutos O colapso de condutos pode ocorrer por rebaixamento excessivo da pressão no interior do conduto. o limite mínimo de pressão de um tubo de aço: p c = 8, e D 3, em m.c.a. as regiões onde forem observadas pressões inferiores a essa podem sofrer colapso. Para as usinas-piloto, em operação normal, não foram observados pontos de pressões tão baixas, mas o grande comprimento e relativo pequeno número de ventosas e respiros 3 não impede colapso em todos os casos (operação de esvaziamento rápido)

14 Exemplo: usina de Oigawa

15 Potencial de Colapso - Fagundes = 1, 0 m = 1, 8 0 m = 6, 1 5 m = 5, 9 m 4 0 = 1 3, 4 8 m = 1 0, 6 4 m = 1 3, 0 0 m Elevação (m) = 1, 6 5 m L i n h a d e T o p o L i n h a P i e z o m é t r i c a - S u p o r t á v e l p e l o c o n d u t o L i n h a P i e z o m é t r i c a - P o t e n c i a l m á x i m o R e s p i r o s V á l v u l a s V e n t o s a s D i s t â n c i a a o i n íc i o ( m )

16 Diâmetro Equivalente Para Piabanha, temos três condutos, que podem ser tratados com um com diâmetro equivalente dado por: h = h = h = P e Q e = Q + f.l D P1 P P Q Q3 5 1 = D i = 1,N h f i 5 i.l i O diâmetro equivalente resultou igual a 3,18 m.

17 Diâmetro Econômico Diâmetro que conduz à melhor relação custo de construção custo de energia perdida Manual da ELETROBRÁS Critério de Nigam D = 6 D = 0, 8339.Q 0, , 3 Manual de projeto de PCH s da ELETROBRÁS f. k.q k.b Q D = 137,. 1 3 H t.t 1 7 L H b 0, 04

18 Diâmetros econômicos das usinaspiloto Piabanha: diâmetro econômico de 3,54 m para o conduto adutor e,06 m para o conduto forçado; Fagundes: diâmetro econômico de 1,61 m para o conduto adutor e 1,07 m para o conduto forçado. Uma variação de 10 % no valor do diâmetro ótimo conduz a variações pequenas no custo total e na relação benefício/custo (segundo muitos autores, no máximo 1 %).

19 Resultados hidráulicos para Fagundes Recuperação dos condutos com resina permitirá o aumento da vazão máxima escoada de 5,36 m 3 /s para 7,31 m 3 /s, suficiente para instalar máquinas com potência total de 8 MW, ou invés dos 4,8 MW hoje instalados; A chaminé de equilíbrio continuaria operando satisfatoriamente mesmo com este aumento de vazão; Esta alteração permite o aumento da energia gerada na usina, apesar da perda de carga adicional gerada pelo aumento da vazão; o valor anual aumenta de MWh/ano para MWh/ano. A troca dos condutos por condutos de aço novo soldável conduz a resultados um pouco melhores, mas o alto custo do aço torna esta opção pouco atraente economicamente.

20 Resultados Hidráulicos Para Piabanha A recuperação dos condutos com resina permitirá o retorno a condições seguras de operação e, ainda, o aumento da vazão máxima escoada de 6,37 m 3 /s para 9,88 m 3 /s, suficiente para instalar máquinas com potência total de 1 MW, ou invés dos 9 MW instalados atualmente; O tanque de compensação e seu vertedouro continuam operando de maneira eficiente; Esta alteração permite o aumento da energia gerada na usina sem um aumento substancial da perda de carga gerada pelo aumento da vazão; o valor anual eleva-se de MWh/ano para MWh/ano; A troca dos condutos por condutos de aço novo soldável conduz a resultados um pouco melhores, mas o alto custo do aço torna esta opção pouco atraente economicamente; A troca do tanque de compensação por chaminés de equilíbrio apresentam resultados técnicos aceitáveis, mas incluem muitos custos adicionais que tornam essas alternativas inviáveis economicamente;

21 Estudos Econômicos Baseado em: Vazão remanescente nula (situação próxima da atual); Aço soldável: R$15,00/kg instalado; recuperação completa e revestimento com resina: R$ 89,00/m ; energia vendida a R$ 116,13/MWh; Taxa de retorno: 10 % ao ano; O valor da troca completa dos conjuntos turbinagerador para as usinas foi obtido junto a fornecedores e avaliada a sua variação pelas equações da ELETROBRÁS.

22 Usina Item Valor (R$) Troca do conduto ,00 Fagundes Recuperação dos condutos com ,00 resina Nova motorização para 7 MW ,00 Troca do conduto ,00 Piabanha Recuperação dos condutos com ,00 resina Nova motorização para 1 MW ,00

23 Usina Item Valor Potência a ser instalada 8,0 MW Energia a ser gerada anualmente MWh/ano Receita anual R$ ,00 Fagundes Receita anual adicional (descontada a R$ ,00 /ano geração atual de MWh/ano) Período de retorno 40 meses Potência a ser instalada 1,0 MW Energia a ser gerada anualmente MWh/ano Receita anual R$ ,00 Piabanha Receita anual adicional (descontada a R$ ,00 /ano geração atual de MWh/ano) Período de retorno 60 meses

24 Conclusões Este artigo apresenta a pesquisa realizada no âmbito do projeto de P&D ANEEL /004, da AMPLA Energia e Serviços S. A.. O procedimento mostrado neste trabalho permite analisar o estado em que se encontra uma pequena central hidrelétrica antiga indicando, entre outras características, falhas na operação, causas de colapsos de adutoras e o ganho possível no caso de repotenciação da usina. A metodologia utilizada pode ser generalizada a partir de: Estudos hidrológicos e energéticos Estudos hidráulicos (perda de carga, envelhecimento, colapso, diâmetros equivalente e econômico, alternativas de projeto) Estudos econômicos

25 Conclusões para as usinas-piloto A viabilidade da repotenciação de usinas como as PCH s de Piabanha e Fagundes é de resultados imprevisíveis a priori. A metodologia proposta conduz a uma conclusão com base científica, eliminando dúvidas e evitando investimentos inadequados. Ela é ampla por englobar aspectos hidráulicos, hidrológicos, energéticos e econômicos, e pode ser útil em outras usinas cuja repotenciação esteja em questão. A manutenção dos condutos atuais por mais um tempo em operação só é recomendável para a usina de Fagundes, tendo em vista o alto grau de deterioração dos condutos adutores de Piabanha. A troca dos condutos atuais por condutos novos de aço soldado é economicamente desvantajosa, ou mesmo inviável, frente à recuperação dos condutos e revestimento interno com resina.

26 Conclusões para as usinas-piloto Com respeito ao colapso dos condutos, apenas a instalação de equipamentos adicionais de entrada de ar eliminará definitivamente a possibilidade da sua ocorrência. Sugere-se a instalação de 7 ventosas de tríplice função no conduto adutor de Fagundes e de 14 equipamentos nos condutos adutores de Piabanha, com um custo de R$ ,00, fora a instalação. Nos estudos econômicos realizados, foi adotado que a vazão mínima remanescente para as duas usinas é nula, com o intuito de maximizar a geração de energia pelas usinas.

27 Agradecimentos Aos engenheiros Ricardo H. C. Magalhães e Márian C. Rohn que efetivamente trabalharam nesta pesquisa; À ANEEL pelo seu programa de Pesquisa e Desenvolvimento, que permitiu o investimento de recursos para o desenvolvimento desta pesquisa.

28 Esta apresentação estará disponível para download, a partir do dia 8/04/08, no site: